2019-2020年高中物理 第4章 勻速圓周運(yùn)動(dòng) 第3講 向心力的實(shí)例分析學(xué)案 魯科版必修2.doc

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2019-2020年高中物理 第4章 勻速圓周運(yùn)動(dòng) 第3講 向心力的實(shí)例分析學(xué)案 魯科版必修2目標(biāo)定位1.通過(guò)向心力的實(shí)例分析，會(huì)分析向心力的來(lái)源，體會(huì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)在生活，生產(chǎn)中的應(yīng)用.2.能應(yīng)用向心力和向心加速度公式求解豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的向心力及向心加速度.3.熟練掌握應(yīng)用牛頓第二定律和向心力知識(shí)分析兩類豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)模型的步驟和方法一、轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力實(shí)例分析1汽車在水平路面轉(zhuǎn)彎汽車2汽車、火車在內(nèi)低外高的路面上轉(zhuǎn)彎汽車火車想一想火車行駛速度大于規(guī)定的速度時(shí)，是外軌還是內(nèi)軌易受損？二、豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例分析1汽車過(guò)拱形橋 橋型分析汽車過(guò)凸形橋汽車過(guò)凹形橋向心力支持力與重力的合力提供向心力支持力與重力的合力提供向心力方程_m_m壓力Nmgm壓力_重力，當(dāng)v_時(shí)N0Nmgm壓力_重力2.過(guò)山車(在最高點(diǎn)和最低點(diǎn))圖1(1)向心力來(lái)源：受力如圖1所示，重力和支持力的合力提供向心力(2)向心力方程(3)通過(guò)最高點(diǎn)的條件：由N0，得v_.想一想過(guò)山車能從高高的圓形軌道頂部轟然而過(guò)，車卻不掉下來(lái)，這是為什么呢？一、火車轉(zhuǎn)彎問(wèn)題1轉(zhuǎn)彎時(shí)的圓周平面：火車做圓周運(yùn)動(dòng)的圓周平面是水平面，火車的向心加速度和向心力均是沿水平方向指向圓心2.向心力來(lái)源：如圖2所示火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力由重力mg和支持力N的合力提供，即mgtan m，解得v0，其中，R為彎道處的半徑，為兩軌所在平面間的夾角，v0為彎道處規(guī)定的行駛速度圖23速度與軌道壓力的關(guān)系(1)當(dāng)vv0時(shí)，所需向心力僅由重力和彈力的合力提供，此時(shí)內(nèi)外軌道對(duì)火車均無(wú)擠壓作用(2)當(dāng)vv0時(shí)，外軌道對(duì)輪緣有側(cè)壓力(3)當(dāng)vmg，車對(duì)橋面壓力最大，汽車處于超重狀態(tài)3當(dāng)車駛至凸形橋面的頂部時(shí)，加速度向下，合力向下，此時(shí)滿足mgNm，Nmgm時(shí)，物體受向下的拉力或壓力v時(shí)，Nmgm，桿對(duì)球有向下的拉力，且隨v增大而增大；當(dāng)v時(shí)，mgm，桿對(duì)球無(wú)作用力；當(dāng)v時(shí)，mgNm，桿對(duì)球有向上的支持力，且隨速度減小而增大；當(dāng)v0時(shí)，Nmg(臨界情況)(3)桿類的臨界速度為v臨0.例3一細(xì)繩與水桶相連，水桶中裝有水，水桶與細(xì)繩一起在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖6所示，水的質(zhì)量m0.5 kg，水的重心到轉(zhuǎn)軸的距離l50 cm.(g取10 m/s2)圖6(1)若在最高點(diǎn)水不流出來(lái)，求桶的最小速率；(2)若在最高點(diǎn)水桶的速率v3 m/s，求水對(duì)桶底的壓力例4長(zhǎng)L0.5 m質(zhì)量可忽略的桿其下端固定于O點(diǎn)，上端連有質(zhì)量m2 kg的小球，它繞O點(diǎn)在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)當(dāng)通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)，如圖7所示，求下列情況下桿受到的力(計(jì)算出大小，并說(shuō)明是拉力還是壓力)(g取10 m/s2)圖7(1)當(dāng)v1 m/s時(shí)，桿受到的力為多少，是什么力？(2)當(dāng)v4 m/s時(shí)，桿受到的力為多少，是什么力？轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力分析1冰面對(duì)溜冰運(yùn)動(dòng)員的最大靜摩擦力為運(yùn)動(dòng)員的重力的k倍，在水平冰面上沿半徑為r的圓周滑行的運(yùn)動(dòng)員，其安全速度為()Avk BvCv Cv2.賽車在傾斜的軌道上轉(zhuǎn)彎如圖8所示，彎道的傾角為，半徑為r，則賽車完全不靠摩擦力轉(zhuǎn)彎的速率是(設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑水平)()圖8A.B.C.D. 豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題3半徑為R的光滑半圓球固定在水平面上(如圖9所示)，頂部有一小物體A，今給它一個(gè)水平初速度v0，則物體將()圖9A沿球面下滑至M點(diǎn)B沿球面下滑至某一點(diǎn)N，便離開球面做斜下拋運(yùn)動(dòng)C沿半徑大于R的新圓弧軌道做圓周運(yùn)動(dòng)D立即離開半圓球做平拋運(yùn)動(dòng)4如圖10所示，長(zhǎng)為R的輕桿一端系一小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)求：(1)當(dāng)小球在最高點(diǎn)速度v12時(shí)，桿對(duì)球的作用力；(2)當(dāng)小球在最高點(diǎn)速度v2時(shí)，桿對(duì)球的作用力圖10答案精析第3講向心力的實(shí)例分析預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)一、1.靜摩擦力m最大靜摩擦力2mgtan m轉(zhuǎn)彎半徑想一想外軌二、1.mgNNmg小于大于2(2)NmgNmg(3)想一想當(dāng)過(guò)山車在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需要的向心力由重力和軌道的支持力來(lái)提供，當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)所需要的向心力大于重力時(shí)，軌道對(duì)過(guò)山車要提供一定的支持力補(bǔ)充所需要的向心力，即過(guò)山車壓在了軌道上，所以過(guò)山車能安全通過(guò)軌道頂部課堂講義例130 m/s解析若火車在轉(zhuǎn)彎時(shí)鐵軌不受擠壓，即由重力和支持力的合力提供向心力，火車轉(zhuǎn)彎平面是水平面火車受力如圖所示，由牛頓第二定律得：mgtan m由于很小，可以近似認(rèn)為tan sin 解式得：v30 m/s.例2(1)10 m/s(2)105 N解析(1)汽車在凹形橋底部時(shí)，由牛頓第二定律得：Nmgm代入數(shù)據(jù)解得v10 m/s.(2)汽車在凸形橋頂部時(shí)，由牛頓第二定律得：mgN代入數(shù)據(jù)解得N105 N由牛頓第三定律知汽車對(duì)橋面的最小壓力等于105 N.例3(1)2.24 m/s(2)4 N解析分別以水桶和桶中的水為研究對(duì)象，對(duì)它們進(jìn)行受力分析，找出它們做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力的來(lái)源，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立方程求解(1)以水桶中的水為研究對(duì)象，在最高點(diǎn)恰好不流出來(lái)，說(shuō)明水的重力恰好提供其做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，此時(shí)桶的速率最小此時(shí)有：mgm，則所求的最小速率為：v02.24 m/s.(2)此時(shí)桶底對(duì)水有一向下的壓力，設(shè)為N，則由牛頓第二定律有：Nmgm，代入數(shù)據(jù)可得：N4 N.由牛頓第三定律，水對(duì)桶底的壓力：N4 N.例4(1)16 N壓力(2)44 N拉力解析小球通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)，受到重力和輕桿的彈力作用，重力和彈力的合力提供向心力設(shè)豎直向下為正方向(1)根據(jù)牛頓第二定律可得：mgN1m則N1mmg16 N根據(jù)牛頓第三定律可得：小球?qū)p桿的作用力為N1N116 N，方向豎直向下，是壓力(2)根據(jù)牛頓第二定律可得：mgN2m則N2mmg44 N根據(jù)牛頓第三定律可得：小球?qū)p桿的作用力為N2N244 N，方向豎直向上，是拉力對(duì)點(diǎn)練習(xí)1B由Fm知kmg故v，故安全速度v應(yīng)小于或等于，B正確2C設(shè)賽車的質(zhì)量為m，賽車受力分析如圖所示，可見：F合mgtan ，而F合m，故v.3D當(dāng)v0時(shí)，所需向心力Fmmg，此時(shí)，物體與半球面頂部接觸但無(wú)彈力作用，物體只受重力作用，故做平拋運(yùn)動(dòng)4(1)3mg，方向豎直向下(2)，方向豎直向上解析(1)當(dāng)桿對(duì)球的作用力N0時(shí)，只有重力提供向心力，有mg，得v臨界.當(dāng)小球在最高點(diǎn)速度大于時(shí)，小球所需向心力大于mg，桿對(duì)球的作用力N豎直向下；當(dāng)小球在最高點(diǎn)速度小于時(shí)，小球所需向心小于mg，桿對(duì)球的作用力N豎直向上，mgN，故球在最高點(diǎn)的速度大于零即可當(dāng)v12時(shí)，mgN1，N13mg.當(dāng)v2時(shí)，mgN2，N2.